Trudy KarGTU_N4_2005_12

Раздел «Машиностроение. Металлургия»
Электрические станции. 1996. №7. С.42-49.
4. Grische K, Kieβling R. Kennzahlen zur Charakterisierung der Brand — und Explosions gefahlichkeit vor Stauben // Neue
Bergbautechnik. 1979. №6. S. 332-337.
5. Взрывные явления. Оценка и последствия / Пер. с англ. У. Бейкер, П. Кокс, П. Уэстайн и др.; Под ред. Я.Б.Зельдовича и
Б.Е. Гельфанда М.: Мир, 1986.
6. Пожарная опасность веществ и материалов: Справочник / Под ред. И.В.Рябова. М.: Стройиздат, 1966.
7. Рыжих А.Б., Махин В.С. Об ингибировании воспламенения аэровзвесей угольной пыли // ФГВ. 1978. Т.14. № 6. С. 60-64.
8. Бабайцев И.В., Карнаух Н.Н. Безопасность производства и применения порошковых экзотермических материалов в металлургии. М.: Металлургия, 1979.
9. Петрухин А.М. и др. Предупреждение взрывов пыли в угольных и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1974.
10.Алексеев А.Г., Недин В.В., Шаповал А.Ф. Методика и результаты определения минимальной температуры воспламенения аэровзвесей // Предупреждение внезапного воспламенения порошков и взрывов газодисперсных систем. Кiев: Наукова думка, 1971.
11.Прохорченко Н.В., Обухов Ю.Д., Говоров В.И. Метод прогнозирования взрываемости пыли углеродных материалов //
Металлург. 2001. № 12. С.29-30.
УДК 537.533.212
К.Р. КУРБАНОВ
В.Д. КУЛИКОВ
В.П. МАКАРОВ
Температурная зависимость концентрации
носителей заряда в щелочно-галоидных
кристаллах и оксогалогенидах висмута и сурьмы
при возбуждении рентгеновским излучением
емпературная зависимость радиационно-индуциро-
Т ванной проводимости (РИП) кристаллов CsI, NaCl
исследовалась в области температур 80-300 К при
возбуждении импульсным рентгеновским излучением
[1]. Выбор этих кристаллов обусловлен низкой эффективностью образования и накопления центров окраски, в первую очередь для CsI, под действием ионизирующего излучения.
Температурные зависимости РИП σ(Т) кристаллов
CsI, NaCl представлены на рис. 1 а, б. Значение проводимости CsI более чем на порядок превышают проводимость в NaCl. В области низких температур 77130 К для CsI и 77-160 К для NaCl наблюдается незначительный рост проводимости с изменением температуры, резкий рост проводимости наступает при температуре 130 К для CsI и ~ 160 К — для NaCl. Провалы
на кривых σ(Т) при высоких температурах ~ (270-280
К), возможно, связаны с захватом и рассеянием зонных электронов центрами окраски в данных материалах.
На рис. 2 а, б приведены температурные зависимости относительного квантового выхода люминесценции автолокализованных экситонах (АЛЭ), где
экспоненциальная зависимость от обратной температуры наблюдается как для кристаллов BiOCl, BiOBr,
так и для сложных кристаллов. Квантовый выход
люминесценции как для BiOCl, BiOBr,так и для оксогалогенидов сурьмы при возбуждении в длинноволновой полосе не зависит от частоты в интервале температур (80-250 К).
Зависимость концентрации электронов n(Т) показана в координатах lg(n), 1/Т (рис. 3). Для материалов
CsI, NaCl значение n(Т) увеличивается более чем на
порядок при переходе от температуры жидкого азота к
комнатной. Экспериментальные зависимости n(T)
кристаллов CsI, NaCl удовлетворительно описываются
суммой двух экспоненциальных компонент: низкотемпературной (прямая 1) и высокотемпературной
(прямая 2, рис. 3).
Такой закон изменения n(T) соответствует терми4 ’ 2005
чески активационному характеру разделения электронов и дырок в генетических парах. Наличие двух компонентов в n(T), видимо, связано с существованием
двух типов электронно-дырочных пар, различающихся средней энергией генерируемых электронов. В
отсутствие электрического поля вероятность термического разделения носителей в парах f можно представить зависимостью [4].
f = exp( −Wa / kT ),
(1)
где Wa — энергия активации процесса термического
разделения носителей заряда.
При квадратичном характере рекомбинации электронов и дырок (n≈p) эффективная скорость генерации носителей имеет вид
G0 f = n 2 svT .
(2)
Рис. 1. Температурная зависимость удельной
проводимости в кристаллах CsI (a), NaCl (б)
при возбуждении рентгеновским излучением
41
лового разделения. Для этих компонент закон изменения концентрации носителей n1, n2 с температурой
запишется:
n1 = G01 ⋅ (exp(−Wa1 / 2kT )) / svT ,
(3)
n2 = G02 ⋅ (exp(−Wa2 / 2kT )) / svT ,
(4)
где G0=G01+G02.
Сравнивая (3), (4) с данными рис. 3 (прямые 1,2)
для CsI, находим: Wal=0.025±0.003 эВ, Wa2=0.1±0.01
эВ, G02/G01≈85, относительный выход свободных носителей при Т = 300 К для первой и второй компонент
составляет f1≈0.37 и f2≈0.02. значение f находится из
условия G01 f1 + G02 f 2 = G0 f , откуда f≈0.04.
Рис. 2. Температурная зависимость относительного
квантового выхода люминесценции BiOCL и BiOBr (a),
Sb4O5CL2, Sb4O11CL2, Sb8O11Br2 (б):
Рис.3. Температурная зависимость удельной концентрации
электронов в кристаллах CsI (а), NaCl (б): экспоненциальные
компоненты: 1 — низкотемпературные;
2 — высокотемпературные
Экспоненциальным зависимостям: низкотемпературной (прямая 1, рис. 3) и высокотемпературной
(прямая 2, рис. 3) для CsI и NaCl можно сопоставить
два типа концентрации неравновесных электронов с
различной скоростью генерации и вероятностью теп42
Используя зависимость (1), представленную в виде f = exp( − rc / r0 ), можно оценить пространственное
распределение термализованных носителей в электронно-дырочных парах. В нашем случае при рентгеновском возбуждении CsI имеем два пространственных пика термализованных электронов: низкоинтенсивный пик с r01≈10 нм и высокоинтенсивный с r02≈2.5
нм.
Для NaCl получаем Wal = 0.03±0.004 эВ, Wa2 =
0.14±0.015 эВ, G02/G01≈200, при Т=300 К f1≈0.3,
f2≈0.004, f≈0.01, r01≈8 нм, r02≈1.7 нм.
При использовании пикосекундного электронного
пучка с энергией электронов~250 кэВ в кристалле КСl
Wa≈0.07эВ, r0≈4 нм и в Csl Wa≈0.1 эВ. Для стекла 3МР при γ-облучении пик функции пространственного
распределения носителей в парах приходится на 4-5
нм [4].
Значение r0 увеличивается с ростом кинетической
энергии неравновесного электрона, полученной на
стадии его генерации. Из приведенных результатов
видно, что в щелочно-галоидных кристаллах функция
начального пространственного распределения термализованных носителей в парах имеет высокоинтенсивный пик в области ~ 1.7-4 нм и низкоинтенсивный
~ 10 нм. Вероятно, наличие пиков связано с существованием максимумов в структуре плотности электронных состояний в зоне проводимости кристаллов. Так,
в NaCl максимумы в Nc приходятся на 4 и 6 эВ в Csl на
3 и 5 эВ. Как показано в [3], мгновенный спектр электронов повторяет распределение Nc с некоторым увеличением функции n(W) в низкоэнергетической части
спектра. Низкоэнергетические электроны с энергией
до ~ 2 эВ при температуре ~ 300 К рекомбинируют в
генетических парах [1]. Исходя из сказанного выше,
можно предположить, что в кристалле NaCl пики с
r02≈1.7 нм и r01≈8 нм связаны с электронами, заселявшими максимумы в Nc на 4 и 6 эВ, в Csl пик с r02≈2.5
нм обусловлен электронами, заселявшими максимум
на ~ 5эВ.
Полученные значения относительного выхода
свободных носителей при комнатной температуре
составляют в Csl ~ 4 % и ~ 1 % в NaCl, что не превышает аналогичных оценок в KCl [4].
Как отмечено в [1], причина столь низкого выхода
носителей в кристалле NaCl может быть связана с
особенностями Оже-процесса. При Оже-генерации
возникает локальное зарядовое образование из двух
дырок в валентной зоне и электрона проводимости. В
Труды университета
Раздел «Машиностроение. Металлургия»
этом случае кулоновское взаимодействие между двумя дырками и электроном будет значительным. Хотя
атомное время локализации дырок достаточно мало
(~10-13) [2], можно ожидать, что за время термализации электрона (~10-12 с) делокализация дырок не превысит 1-2 параметров решетки. В легких элементах
(Z<30) при заполнении дырки на внутренних оболочках атома выше вероятность Оже-переходов по сравнению с рентгеновскими [2]. Поэтому следует ожидать более сильного Оже-эффекта в NaCl по сравнению с Csl и соответственно более высокой скорости
рекомбинации носителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алукер Э.Д., Лусис Д.Ю., Чернов С.А. Электронные возбуждения и радиолюминесценция ЩГК. Рига: Зинатне, 1979.
252 с.
2. Ильмас Э.Р., Лийдья Г.Г., Лущик Ч.Б. Фотонное умножение в кристаллах // Оптика и спектроскопия. 1965. Т. 18. Вып.3.
С. 453-460.
3. Lipari N.D., Kunz A.B. Enerqy band and optical properties of NaCl // Phys. Rev. B. 1971. Vol. 3. №2. P. 491-497
4. Куликов В.Д. Концентрация и время жизни неравновесных носителей в CsI, NaCl при рентгеновском возбуждении //
ФТТ. 2001. Т.43. Вып.9. С. 1580-1583.
4 ’ 2005
43